创新在中国（二）
张首晟
奇妙的理论预言
我们团队的科学发现利用了一个简单的推理———把2=1+1推广成 4=2+2（图1）。电子还有自旋这个运动方式，是微观世界里非常奇妙的现象，我们在高中化学中就知道电子可以有自旋。
所以在一维空间里，电子有四种不同的运动方式，可以自旋向上，可以自旋向下，也可以向前或向后。我们的工作把这四种运动方式在空间中拆分为2+2。在某种程度上，自旋向上的电子是顺时针运动，自旋向下的电子是逆时针运动。我们利用这个原理，在2006年进行了理论上的研究。
过去任何新材料的发现，包括量子霍尔效应、超导体和半导体，往往是科学家在实验室里通过非常辛苦的工作，然后偶然发现的。而这次对量子自旋霍尔效应的研究完全来自于理论的指导，2006年我们在科学上做了这么一个奇妙的预言，预言某些材料会达到这样奇妙的境界。
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图1.量子霍尔效应与量子自旋霍尔效应。
简单解释一下，这里我们看到电子既可以向前走，又可以往回走，为什么不能反射呢？主要是因为量子世界里有一些非常奇妙的现象。在宏观世界里，任何一个宏观的物体转360度就一定会回到原点。而电子是有自旋的，转360度却不会回到原点，这是我们学非常基础的量子力学时就会了解的奇妙现象。我们利用电子这个奇妙的现象，或者在某种程度上说是拓扑的原理，使不同“车道”能够分开。
科学的发现对技术革命会产生怎样的影响？20世纪20年代量子力学的发现使人们懂得电子一旦有波动性之后就有了能隙的概念，从而大大深化了对半导体的理解，推动半导体技术的蓬勃发展，这是量子力学基本的发现带来的技术革命。20世纪初另外一个伟大的革命就是爱因斯坦的相对论，大家知道这是非常奇妙的科学发现。相对论产生了一些非常奇妙的预言，只能在高能世界中被观察到，对我们的日常生活影响不大。相对论预言了电子公转和自转的耦合，这在拓扑绝缘体中有重要的作用。近年来拓扑绝缘体的发现表明，爱因斯坦的相对论有可能在产业革命中真正起到非常重要的作用。
为什么会有这样的原理呢？我们看电子的世界，可以拿宏观世界来作比方，比如在宏观世界里看到地球绕着太阳转，同时又有自转，地球自转一次是一天，绕着太阳公转一次就是一年。同样的，在微观世界里电子也有公转和自转。但是爱因斯坦的相对论做出了非常奇妙的预言———电子自旋和公转有非常本真性的耦合。我们利用相对论的效应来预言，有很多材料能够达到这种自旋轨道的耦合，并且用这个原理使得它的轨道自动分开。（图2）非常幸运的是，我们的这一预言在 2007年被德国的科学实验小组证明，并被《科学》杂志评为2007年“全球十大重要科学突破”之一，成为科学史上理论预言的成功故事。
图2.凝聚态物理中的量子力学与侠义相对论。
中国的贡献
回想1978年，那时刚刚恢复高考、实行改革开放，我还没有读高中，就试着参加了高考，考上了大学。那之后，我们国家又开始派遣留学生出国，我被选拔到德国柏林大学深造。后来我在斯坦福大学任教时，总是惦记着祖国的发展。
那时，我们的成果虽然被评为“全球十大重要科学突破”之一，但在整个科学界的影响还是相当小的，因为实验中的材料比较稀有，还没有在整体上推动技术的发展。2009年我开始与国内同行进行非常广泛的合作。这个预言在 2006年初见端倪，而在与国内同行开展广泛合作以后，中国在这个领域里发挥了关键性的作用。
其中，我们和中科院物理所进行了广泛合作，因为他们对材料科学非常了解，我们也知道这些奇妙的拓扑绝缘体材料在元素周期表右下角可以找到。我们和物理所合作，发现了一系列三维的拓扑绝缘体新材料。这种材料在室温下可以很好地工作，和半导体不一样，这种材料中有一个表面态，这会起到非常奇妙的作用。
图3.神奇的拓扑绝缘体。
图4.分子束外延-扫描隧道显微镜-分子辨光电子谱。
简单来讲，拓扑绝缘体的内部是绝缘的，表面是导电的。我们中国很多陶瓷就是这样，陶瓷本身是一个绝缘体，但是陶瓷表面可以镀金，就是体内不导电，表面导电。但是这种办法是不稳定的，跟大气反应后本来表面可以导电，但是过一段时间就会消失。因此陶瓷仅是一个常规绝缘体。但是拓扑绝缘体是非常奇妙的现象，它的导电层是自己产生的，不需要外界任何的条件。如果跟外面大气反应之后，上面一层消失，下面会自动产生新的导电层，某种程度上可以说是永不消失的镀金。（图3）我与威尼斯9499登录入口薛其坤院士带领的研究组合作，在装置上已经达到国际一流的水平（图4）。但是我们知道，要想取得科学发现，光有第一流的仪器是不够的，还需要有第一流的想法，才能真正走到科学的最前沿。在清华，我们成功地结合了理论和实验研究，真正取得了举世瞩目的成绩。
（未完待续。本文根据张首晟教授2012年9月8日在第十四届中国科协年会开幕式上所作的大会特邀报告录音稿编辑整理。根据编排需要，小标题为编者另加。）
来源：新清华2012-12-28 第1906期
